面向中國制造2025的機械制造裝備設計方法探討

馬可 苑明海 張靜輝

摘要： 結合中國制造2025對機械制造裝備人才的新需求，分析了當前機械制造裝備設計課程教材、教學現狀及存在的問題，從以學生能力的全面提升為目標導向來組織和持續改進課程教學出發，提出應適時更新教材內容，使其能夠體現本課程的知識特點，適應新時期的教師教學和學生學習需求，還應建立以學生為中心的教學理念，積極改進教學措施和教學方法，以期提高課程教學效果，培養學生的創新精神、實踐能力。

Abstract： Based on the new demand of 2025 manufacturing equipment talents in China， this paper analyzes the teaching material， teaching present conditions and existing problems in the current course of mechanical manufacturing equipment design. It starts from the overall improvement of students' ability to organize and continuously improve the teaching of the curriculum. The content of teaching materials should be timely updated so that it can reflect the knowledge characteristics of this course， adapt to the needs of teachers' teaching and student learning in the new era， and should also establish a student-centered teaching philosophy and actively improve the teaching measures and teaching methods in order to improve the teaching of the course effect， cultivate students' innovative spirit， practical ability.

關鍵詞： 機械制造裝備設計；教材建設；教學方法；教學改革

Key words： mechanical manufacturing equipment design；teaching material construction；education method；education reform

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0248-03

0 引言

“機械制造裝備設計”是高等學校理工科機械工程學科本科教學中量大面廣的主干專業課。課程目標是使學生掌握機械制造裝備設計的基本原理和方法，具備一定的機械制造裝備總體設計和結構設計能力，以具備實施和規劃機械加工生產線的能力為宗旨全面提升學生的綜合素質，使具有機械制造裝備設計潛質和興趣的學生能夠脫穎而出，為國家實現制造強國戰略提供高素質的人才保障[1]。當前，我國正處于《中國制造2025》所規劃的制造業強國戰略三步走中第一步的關鍵時期，其中涉及的“五大工程”、“十大領域”幾乎全部與裝備制造業的發展水平直接相關[2]。

裝備制造業的發展離不開大批高層次相關人才的支撐，而高質量的制造裝備課程教學是培養高層次裝備制造業人才的前提和保證。因此，新時期的機械制造裝備設計課程應當更加有利于培養學生的創新精神、實踐能力，使學生在畢業之后能夠迅速適應當前裝備制造業日新月異發展所帶來的挑戰。

1 機械制造裝備設計課程教材及教學現狀

“機械制造裝備設計”是一門歷史發展悠久的專業課程，從最初的金屬切削機床設計發展到今天的機械制造裝備設計，在一定程度上見證了我國高等教育中專業課教學的發展歷程[3]。當前的機械制造裝備設計課程，各高校一般開設在本科大四學年第一學期，采用講授為主，實驗為輔的教學方式達成教學目標。近年來，隨著裝備制造業的快速發展、進步，傳統的教學內容和教學方法存在的問題日益顯現，導致教學效果不佳，主要體現在以下幾個方面：

1.1 教材內容更新滯后，書本與現實脫節較嚴重

目前，機械制造裝備設計的專門教材不多，可選擇的范圍很窄。而且，從內容上看，雖然教材會定期進行改版，但仍然難以趕上機械制造裝備業日新月異的發展腳步。例如，教材的最重要內容金屬切削機床設計部分，仍以傳統的分級變速主傳動系設計為主，而對當前機床制造領域廣泛采用的無級變速、電主軸、并聯傳動等知識的介紹非常簡單，這就造成了書本知識與現實的嚴重脫節。書與現實的脫節，不但使學生無所適從，也在很大程度上給教師帶來了煩惱，現在的大學教師通常必須教學與科研兼顧，在時間和精力有限的情況下，還要求他們備課時，掌握大量書本以外的最新知識也有一定困難，而如果依賴相對滯后的教材內容，又無異于誤人子弟。

1.2 教學模式相對單一，學生學習動力不足、興趣不高

機械制造裝備設計課程涉及知識面廣、難度較大，但由于教學大綱的要求和課時設置有限等原因，為了完成教學內容，教師通常只能以傳統的課堂教授方式對學生進行知識灌輸，翻轉課堂等學生參與度較高的教學模式安排很少，再加上教材內容相對陳舊，導致學生學習興趣不足，教學效果不佳。另一方面，課程安排在大四第一學期也不盡合理，學生此時往往面臨就業、考研等壓力，投入課程學習的精力十分有限。

1.3 實踐教學環節不足，難以培養學生獨立從事裝備設計工作的能力

機械制造裝備設計課程本身應當是一門非常重視培養學生動手能力，為將來從事裝備設計工作奠定堅實基礎的專業課程。但限于時間和設備條件限制，課程實際安排的實踐環節，學生往往只是參觀機床、生產線而已，沒有機會親自動手實踐，這對他們深入理解所學理論知識，鍛煉動手能力，進而理論聯系實際進行裝備設計是非常不利的。

1.4 成績評價指標設置不合理，難以全面評價學生的學習效果

現行的將平時作業、考勤情況與期末理論考試成績按一定比例計算總成績的方式，對純理論的基礎課程考核是適用的，但很難對本課程中學生的實際設計能力進行合理評價。

1.5 教師自身缺乏工程背景和實踐經驗，造成師資力量相對薄弱

近年來，高校引進青年教師的條件要求越來越高，對教師的學歷、學位甚至畢業院校、海外經歷等十分重視，這當然對提升高校的科研水平有一定作用。但另一方面，特別是對工科院校來說，教師是否具有工程背景和實踐經驗十分重要，而引進的青年教師往往是剛剛走出校園的博士生，這方面的經歷十分缺乏，入職以后一般也只是簡單的崗前培訓，沒有機會和精力再進行工程方面的培訓。這就造成教師自身也幾乎沒有實際的工程實踐經驗，在從事機械制造裝備設計這類課程教學時就只能偏重理論知識的講授而有意無意地規避實踐教學環節。例如，課程內容中涉及的機床部件設計、機床夾具設計以及生產線總體設計等方面，就對教師自身對制造企業生產過程、設備的了解程度，以及教師的動手實踐能力要求很高。

以上機械制造裝備設計教學過程中存在的問題，對提高課程教學效果、進而提高人才培養質量是十分不利的，因此有必要對課程的教學內容、教學方法以及考核評價體系等方面進行深入探討與改進。

2 機械制造裝備設計課程教材建設

我國近代教育家陸費逵在《中華書局宣言書》明確提出了“教科書革命”的口號，他說：“國立根本，在乎教育，教育根本，實在教科書。”教材建設是課程建設和教學改革的重要組成部分，是深化教學改革、提高教學質量的重要保證[4]。

2.1 全面分析相關教材，突出本課程知識特點

機械制造裝備設計面大量廣，內容豐富，涉及設計方法、金屬切削機床設計、機床夾具設計、工業機器人設計、物流系統設計、機械加工生產線總體設計等方面內容，這些內容每一部分甚至都可以作為一門課程來學習，既有經典的理論知識，又有最新的研究進展，因此教材內容的選擇必須有輕有重。例如，機床夾具設計這部分內容，夾具是機械制造領域重要的工藝裝備，其設計水平對加工效率和加工質量有很大影響，但是在機械制造技術基礎等課程中已有比較深入的理論教學和實踐環節設置，因此在機械制造裝備設計教材中，就不應當再過多重復介紹傳統和基礎的設計方法，而應當介紹一些現在自動化制造系統中使用的先進夾具的結構及其最新設計方法。在編寫新教材或者進行教材修訂時，應充分考慮本教材內容與其他相關課程內容的關系，避免重復，突出本課程知識特點。

2.2 重視基礎，強調前沿，教材內容與時俱進

本課程的教學目標之一，是使學生畢業之后成為具有較強裝備設計能力的工程技術人員，而這需要有扎實的基礎知識儲備作為基礎和保證。因此，機械制造裝備設計教材內容，對基礎知識部分，例如金屬切削基本理論、機床傳動系統的基本組成及工作原理等應以經典理論和成熟設計方法為主，讓學生打好基本功。同時，教材對一些近年來發展迅速，并且在中國制造2025規劃中強調重點發展領域的制造裝備，例如工業機器人、柔性制造系統、智能制造裝備等，應結合目前的發展前沿、國內外研究動態進行編寫，擴展學生視野、吸引學生學習興趣，激發學生學習動力。

2.3 結合高校特色，編寫校本教材

各個高校的機械工程學科，雖然專業設置大同小異，但在研究方向、實驗條件等方面卻各有特色。因此，機械制造裝備設計教材內容應在基礎、通用知識的基礎之上，適當加入能夠反映本校相關專業擅長研究領域的裝備實例，介紹一些特色鮮明、學生在校期間通過實踐環節也能接觸到的具體裝備，使學生的知識結構在基礎扎實前提下，又具備鮮明的學校特色。例如，河海大學機電工程學院在進行機械制造裝備設計課程教學時，教師在使用通用教材的同時，還編寫了符合學校特色的水利機械、搶險救災設備、水下機器人等方面的校本教材作為課外學習資料，獲得了不錯的效果。

3 機械制造裝備設計課程教學方法改進

3.1 把握工程教育認證機遇，建立以學生為中心的教學理念

目前，很多高校的工程專業正在進行工程專業認證，應當將這一認證工作視為一次機遇，建立以學生為中心的教學理念。實際上，專業認證的核心理念必然是以學生為中心的，因為未來從業者——學生的學習成果是證明專業教育有效性最為有力和直接的證據，工程教育專業認證亦然。對于機械制造裝備設計過程，不僅僅關注結構與功能原理的實現，也要從經濟性、安全性、環境保護與節能減排等方面將其視為一個系統的工程技術項目來加以考慮，全方位引導學生培養運用所學知識解決實際工程問題的能力，正確認識工程對于客觀世界和社會的影響[5]。教師對于學生的要求更多地集中在培養學生的學習主動性、對問題的深入探究和鉆研精神以及追求創新的態度和意識。筆者在近年的機械制造裝備設計課程教學過程中，搜集了大量有關中國制造2025、德國工業4.0等方面的視頻、圖片等材料，補充作為緒論部分的教學內容，使學生認識到裝備制造業是當前和未來國內外的重點發展領域，這對學生豎立對本課程涉及領域的堅定信心，激發學習動力，發揮主觀能動性發揮了理想作用。

3.2 采用多樣化的教學方法，提高教學質量

傳統的教學模式多以傳授知識為主，老師通過灌輸使學生被動接受知識，即填鴨式教學。這種教育模式使學生缺乏主動性，學生在大學期間，不僅學習知識，更重要的是學習如何獲取知識的方法[6]。面向中國制造2025對人才的更高要求，教師要實現教學方法與手段的不斷突破與創新，以提高教學質量。教學方法要針對工程實際，可以更多地采用案例分析、綜合設計、小組學習、項目訓練等方式，培養學生主動學習和團隊合作能力，提高工程意識和設計技能。例如，刀具自動化一章中有關切屑和切削液處理，以往只是由教師進行簡單介紹，實際上，隨著當前制造系統自動化程度以及環保要求不斷提高，切屑的自動處理以及切削液的循環使用變得十分重要，針對這個情況，任課教師可以將學生分組，布置一些專題性的課外作業，比如讓學生對現有切屑處理和切削液設備進行分析，結合自動化制造和綠色制造的要求提出設備改造建議，培養學生發現和解決工程問題的能力。

3.3 建立多元化課程考核評價機制

長久以來，機械制造裝備設計課程考核采用的都是期末考試為主，平時成績為輔的模式，期末考試主要考察理論知識，而平時成績主要是由考勤和一些理論題目組成，這樣的模式使學生形成了輕平時、重期末，輕實踐、重理論的不良學習習慣，而工程應用性、實踐性強是本課程的主要特點之一，為了扭轉這種情況，必須建立新的課程考核評價機制。筆者在本課程的教學過程中，采用了“日常課堂教學考核+創新實踐考核+期末閉卷考試”的總體模式，其中的創新實踐考核環節筆者進行了精心設計。例如，根據筆者近年來從事的科學研究工作，凝練了幾個有關機床傳動系統、柔性制造系統的相關小課題，要求學生分組，通過查閱資料以及實驗室和工廠調研，進行簡單的裝備設計工作并形成實踐報告，然后利用課堂時間進行分組匯報并給出成績。這樣，不進鍛煉了學生的實際動手能力，更培養了他們的團隊寫作精神，訓練了他們的科技論文寫作和口頭匯報能力。此外，在成績比例設置方面，加大平時實踐環節所占的比重，引導學生把更多精力投入到學習過程中去，而學期末的閉卷考試只是對平時學習過程的總結，是功在平時的水到渠成的結果。通過這種考核方式的轉變，學生對實踐操作的重視程度大大提高，把理論知識應用于實踐的能力大大增強。

3.4 重視教師工程實踐能力的培養

這個方面，就需要從學校層面為教師創造進行工程實踐訓練的機會。例如，在崗前培訓環節，組織相關專業的新進教師到企業的生產一線進行參觀學習，通過參與實際生產活動，來豐富生產實踐知識，培養動手能力，提高工程實踐能力。又如，建立激勵機制，鼓勵教師申報和參與各類校企合作科研項目，在科研項目的推進過程中積累工程實踐經驗。也可以安排機械制造裝備設計課程由兩名教師進行教學，一名教師從事課堂理論教學，而實踐環節由工程訓練或實驗室實驗師擔任教學工作。

4 結語

結合當前中國制造2025對人才質量提出的更高要求，從教材和教學方法兩個方面探討了機械制造裝備設計課程的現狀，分析了其中存在的問題。針對存在的問題，從課程教材建設和課程教學方法改革兩個角度探討了相應對策，對推進機械制造裝備設計課程教學改革，提高裝備制造業人才培養質量具有一定現實意義。

參考文獻：

[1]關慧貞.機械制造裝備設計[M].四版.北京：機械工業出版社，2015.

[2]國務院.國務院關于印發《中國制造2025》的通知[EB/OL].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2015-05/19/content_9784.htm，2015-5-19/2017-11-09.

[3]大連理工大學.國家級精品資源課——機械制造裝備設計[DB/OL].http：//www.icourses.cn/coursestatic/course_6824.html，2017

-11-09.

[4]張國功.在更深廣的層面上體認近現代出版家的精神——評《教育與出版——陸費逵研究》[J].中國編輯，2012（5）：87-91.

[5]萬林林，伍俏平，鄧朝暉.工程教育專業認證下機械制造裝備設計課程改革[J].當代教育理論與實踐，2015，7（4）：40-42.

[6]危衛華，連小瑩.機械制造裝備設計課程建設與教學改革探討[J].價值工程，2013（27）：258-259.